一种油井抽油机智能刹车系统及其控制方法与流程

本发明属于油田采油装备技术领域，具体涉及一种油井抽油机智能刹车系统及其控制方法。

背景技术：

在油田生产过程中，油井抽油机需要经常进行维护保养及调节冲程、冲次，进行工况切换等工作。刹车系统是抽油机安全操作的核心装置，在安装、调试、工况调整及修井作业中具有保障作业安全，方便安装调试等重要作用。刹车系统的可靠性不仅关系到油田的正常生产能否顺利进行，而且涉及到操作人员的人身安全等问题。目前油田生产普遍使用的是人工机械拉杆式刹车，具有结构简单，操作方便等特点。这种人工制动虽然在一定程度上解决了抽油机的维护问题，但是这类刹车装置需要工人在抽油机旁进行操作，具有一定的危险性，同时这类刹车装置的刹车时机需要工人判断，难以精确控制停车位置。且在现场操作过程中，刹车锁死牙块存在锁死失灵，安全隐患大的问题。在传统刹车装置基础上改造而来的液压式制动刹车装置，其安全制动能力大大的提升了刹车作用，但现场设备改动较大，成本较高。

数字化油田、智慧油田的建设，对抽油机的安全、可靠、自动化生产提出了更高的要求，因此与现有的抽油机电气控制单元智能匹配，联动控制，实现安全、可靠、低成本改造的油井抽油机智能刹车系统，是目前油田生产领域亟需解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种油井抽油机智能刹车系统及其控制方法，将抽油机与智能刹车系统硬件的匹配集成和运行信息流与控制信息流相结合，通过模块化匹配设计，利用刹车电机的智能控制完成抽油机工况自动切换，实现抽油机生产工况控制的自动化，真正实现油井生产无人值守，避免现场的重复性投入，降低改造成本，有效缩短建设周期，便于现场安装、监控和维护，更适应于野外作业。

本发明采用以下技术方案：

一种油井抽油机智能刹车系统，包括抽油机电气控制单元、刹车智能控制系统、供电系统和刹车辅助结构，刹车智能控制系统与抽油机电气控制单元为一体化结构，刹车智能控制系统通过刹车辅助结构与抽油机连接，用于实现抽油机的智能间抽，抽油机电气控制单元通过电机与抽油机连接，用于完成抽油机的运行工况调度，采用模块化连接实现抽油机运行与刹车辅助结构的协调智能控制。

具体的，刹车辅助结构包括行程开关、拉杆、丝杠、齿轮系和刹车电机，行程开关设置在拉杆上，拉杆与丝杠连接，丝杠通过齿轮系与刹车电机连接，由刹车电机驱动齿轮系传动带动丝杠。

进一步的，拉杆与现场刹车系统中的纵、横拉杆连接，丝杠通过丝杠螺母及滑块带动直线丝杆实现对拉杆的传动。

更进一步的，拉杆的运动范围为±100毫米。

具体的，在供电系统的进线与抽油机电气控制单元之间设置有供电系统用ak断路器，ak断路器的两端并联停电自动判别线圈sj；柜体风机通过相线供电，并串联热保护开关，ak断路器后并联三相浪涌保护器，多功能电力仪表，并联控制变压器输入侧断路器q2和智能刹车系统断路器q1后接辅助电机的正反转交流接触器，通过六芯插座模块将刹车辅助电机的一次供电接线与二次控制保护接线集成模块化。

进一步的，控制变压器的二次侧与控制电路和可编程逻辑控制装置连接，控制变压器220v供电于开关电源，开关电源的24v直流输出正极串联抽油机运行控制继电器常闭开关j2/3，并分两路并联松刹车/拉刹车控制回路，松刹车/拉刹车支路接入互锁的复式按钮sb3与sb4，然后接联动y2，y3/电动，k3/1，k3/2选择开关，分别连接松刹车线圈j3，拉刹车线圈j4和六芯插座连接。

更进一步的，k3/1，k3/2选择开关与六芯插座的第二端子和第三端子相连接，第一端子与开关电源直流输出负极相连接；在六芯插座的第一端子和第二、第三端子之间连接手/电选择旋钮，第二端子与手/电选择旋钮，第三端子与手/电选择旋钮之间串联行程开关的常闭开关xc1和xc2。

本发明的另一技术方案是，一种油井抽油机智能刹车控制方法，刹车智能控制系统根据抽油机工况调度信息向刹车辅助结构发送控制指令，当开关置于电动时，按松刹车按钮，拉杆伸出100毫米；按拉刹车按钮，拉杆缩进100毫米；抽油机运行时刹车装置断电锁死；

当开关置于联动时，刹车辅助结构与抽油机电气控制单元联合动作，抽油机启动，刹车辅助结构启动拉杆伸出，先松刹车，刹车送到位后，抽油机启动；抽油机停止，刹车辅助结构延时启动，拉杆缩回，拉紧刹车，配合抽油机工况调度。

具体的，抽油机工况调度采用本地按钮/触摸屏或远程上位机控制工频/变频运行方式选择切换；变频运行时根据载荷电流通过内嵌学习算法自动判断选择频率，将频率信息输入变频器，实时控制抽油机冲程速度；

根据油井动液面选择连续/间抽抽油方式，通过触摸屏或远程上位机设置间抽时的停机/运行时间，并将控制信息与智能刹车控制系统共享，决定刹车系统的动作时间与过程；

抽油机的连抽未启动、连抽运行中、连抽停止中、间抽未启动、间抽运行中、间抽停止中状态及位置检测信息通过触摸屏或上位机用户交互提供给运行人员，并与抽油机智能刹车系统通信，所有工况控制及运行操作均通过本地按钮或触摸屏，或者远程上位机调度终端异地控制实现抽油机工况调度。

具体的，抽油机运行时，继电器的常闭开关j2/3打开，刹车控制电路断电；

在拉刹车与松刹车回路的互锁控制的常闭和常开互锁复合按钮sb3和sb4，在拉刹车与松刹车回路分别连接互锁的联动y2，y3和电动k3/1，k3/2控制模式互锁选择开关，选择开关置于电动时，抽油机停止工作时进行刹车辅助结构操作，视情况按松刹车按钮sb3或拉刹车按钮sb4，刹车辅助结构伸、缩拉杆，与抽油机工况相配合；

选择开关置于联动y2，y3时，刹车辅助结构配合抽油机工况调度控制柜自动操作，当按动控制柜启动按钮时，刹车辅助结构首先动作松闸，然后抽油机启动；当按动控制柜停止按钮时，刹车辅助结构随后动作拉紧刹车；

执行间抽运行时，刹车智能控制系统判断设备自动运行与自动停止的运行状态执行相应控制过程，抽油机停机并处于静止状态时由工频运行切换到变频和变频启动，六芯插座的第一端子和第二、第三端子之间接手/电选择开关，位置开关的常闭开关xc1和xc2，在拉杆伸缩到位后自动停止。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种油井抽油机智能刹车系统，采用油井智能刹车系统与现场抽油机电气控制单元集成一体化设计思想，将抽油机与智能刹车系统硬件的匹配集成和运行信息流与控制信息流相结合，刹车智能控制系统与抽油机运行信息通讯可靠，不受外界恶劣环境影响，保证智能系统信息流层的可靠性，从而也有效保证整个生产系统的可靠性。

进一步的，将刹车电机—齿轮系传动—丝杠—拉杆传动刹车辅助结构设计用于油井抽油机刹车系统，可实现拉杆与采油机刹车杆的完全对接，现场安装方便可靠，有效缩短建设周期，降低现场改造成本，更适应于野外作业。

进一步的，通过模块化匹配设计，利用刹车电机的智能控制完成抽油机工况自动切换，避免现场的重复性投入，降低改造成本，更便于现场安装、监控和维护。

进一步的，针对系统一、二次的各项保护与协调、匹配、互为备用的功能设计，有效避免现场过电压危险，预防抽油机工作时现场刹车系统误动，保护刹车机械结构，为安全生产提供了保证。

进一步的，机械手动复位、刹车复用功能设计，保证刹车控制系统故障期间现场采油系统的正常运行。

进一步的，刹车电机与抽油机运行信息流共享及自动智能匹配控制功能设计，实现无人值守下采油系统工况自动切换的可靠运行。

综上所述，本发明为智慧油田建设中安全、可靠、低成本改造的抽油机智能刹车系统的设计提供了一种新的设计思路和方法。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为油井智能刹车系统与现场电气控制一体化设计结构原理图；

图2为刹车辅助结构机械传动原理图；

图3为抽油机与刹车智能系统联动流程图；

图4为油井智能刹车系统与抽油机运行信息逻辑关系设计原理图；

图5为油井抽油刹车机集成系统供电设计原理接线图；

图6为智能刹车系统控制电路设计原理图；

图7为智能刹车系统远程智能控制设计原理图。

其中：1.行程开关；2.拉杆；3.丝杠；4.齿轮系；5.刹车电机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种油井抽油机智能刹车系统及其控制方法，将抽油机与智能刹车系统硬件的匹配集成和运行信息流与控制信息流相结合，刹车智能控制系统与抽油机运行信息通讯可靠，不受外界恶劣环境影响，保证了智能系统信息流层的可靠性，从而通过刹车电机的智能控制完成抽油机刹车任务，实现了无人值守下采油系统的可靠运行，避免了现场的重复性投入成本，更便于现场安装、监控和维护，也有效保证了整个生产系统的可靠性。可实现拉杆与采油现场直线丝杆的完全对接，现场安装方便可靠，有效缩短建设周期，降低现场改造成本，更适应于野外作业。

请参阅图1，本发明一种油井抽油机智能刹车系统，包括集成控制柜、电机和抽油机，集成控制柜包括抽油机电气控制单元、刹车智能控制系统和刹车辅助结构，抽油机电气控制单元通过电机与抽油机连接，抽油机电气控制单元与刹车智能控制系统为一体化结构，刹车辅助结构与抽油机连接，基于现场低成本改造的原则，采用模块化的接口连接，与现场已有系统实现软硬件的匹配，充分共享现场信息，实现抽油机运行与刹车辅助结构的协调智能控制。

抽油机电气控制单元能够通过多种传感器采集油井信息，并将所有信息通过网络传输到上位机，通过分析决策平台，以便实时监测每口井的工况及产液量，制定最优的间抽制度，并下达指令让抽油机现场控制柜按照最优间抽制度进行工作，同时与现场刹车系统配合控制柜工作。实现抽油机单井“有油就抽、无油就停，节能不减产”的生产目标。

电气控制单元用于完成抽油机的运行工况调度，包括嵌入式信号采集处理系统，触摸监控屏和继电接触控制部件。

刹车智能控制系统根据电气控制单元的工况调度指令及工况信息，自动完成启动、停止抽油机的工况调度任务，实现抽油机的智能间抽，达到节能目的。刹车智能控制系统包括继电接触控制部件，可编程逻辑控制部件，实现抽油机运行与智能刹车系统的智能协调控制。

电气供电系统为整个抽油机动力源电机及智能刹车系统刹车电机提供电能，一次供电系统通过控制变压器与控制电路电气隔离，为控制系统提供电能。为了保证系统供电安全性和可靠性，系统设计配置了浪涌保护器保护瞬间过电压对系统用电设备的危害，柜体内配置风机用于降温，在供电系统中设计供电系统断电/恢复供电的自判断功能，与继电控制电路及可编程逻辑控制装置相配合，实现系统来电安全自启。

将本地继电接触控制系统，可编程逻辑控制系统，与远程上位机控制相结合，实现抽油机运行与抽油机智能刹车系统的智能协调控制。可编程逻辑控制系统或远程上位系统接收抽油机工况调度信息及运行状态信息，根据内嵌智能控制策略对智能刹车系统发出相应控制信息指令，继电接触控制系统的相应开关闭合，相应控制回路的线圈带电，对应刹车辅助电机的交流接触器闭合，刹车系统动作，完成刹车的工况协调控制。为了保护现场断电故障时，抽油机刹车系统无法动作而导致抽油机停车困难，设计了后备手动操作功能，利用可插入摇把手动操作控制刹车系统动作。

请参阅图2，刹车辅助结构的主要元件包括行程开关1、拉杆2、丝杠3、齿轮系4和刹车电机5，刹车电机5带动齿轮系4进行传动，齿轮系4与丝杠通过摩擦联轴器与丝杠3相连，丝杠两端安装滚珠轴承，丝杠3上安装丝杠螺母，丝杠螺母上配置连接块与拉杆2通过螺栓相连，拉杆2两端安装直线轴承，以此实现联动；拉杆2上的连接块与行程开关1通过接触碰撞实现限位控制，其运动范围为±100毫米(“+”为伸出，“-”为缩进)，直线丝杆在外部与现场刹车系统中的纵、横拉杆连接，将其拉动100毫米；

当集成控制柜“联动—电动”开关置于“电动”时，按松刹车按钮，拉杆伸出100毫米；按拉刹车按钮，拉杆缩进100毫米。抽油机运行时会将刹车装置断电锁死，整个操作只能在抽油机停止运行的情况下才能进行。

当控制柜“联动—电动”开关置于“联动”时，刹车辅助结构与抽油机电气控制单元联合动作，不需要人工专门拉刹车，动作流程如图3所示，抽油机启动，智能刹车系统先启动拉杆伸出，先松刹车，刹车送到位后，抽油机启动；抽油机停止，刹车辅助结构延时启动，拉杆缩回，拉紧刹车。

油井智能刹车系统与抽油机运行信息逻辑关系如图4所示。抽油机工况调度信息即为刹车智能系统接收的信息，根据不同的工况，智能系统进行判断，并控制抽油机智能刹车系统自动匹配控制，实现抽油机的启停与运行。由于集成一体化设计特征，刹车智能控制系统与抽油机运行信息通讯可靠，不受外界恶劣环境影响，从而也有效保证了整个生产系统的安全运行。

请参阅图4，抽油机智能刹车系统与抽油机运行系统的控制系统信息相互共享，协调调度控制，共同完成抽油机工况的调度和运行任务。系统工况操作过程：通过现场或远程选择并设置系统运行方式连抽或间抽，对抽油机系统和刹车系统发出启动指令，刹车系统接收到启动指令后，刹车控制电路中的松刹车控制回路开关闭合，松刹车接触器线圈带电，刹车电机松刹车接触器闭合，刹车动作，并发出启动预警信号，延时启动条件满足时，抽油机启动运行，抽油机运行之后，由于串联于刹车控制回路中的误动保护常闭开关打开，此时在刹车侧的任何控制将失效，保护了抽油机系统运行时的刹车误动。若抽油机间抽运行到停止时间或者抽油机接受停止指令时，刹车系统通过位置传感器判别抽油机抽油杆位置，若满足抽油杆停止位置条件，刹车控制电路中的拉刹车控制回路开关闭合，拉刹车线圈带电，刹车电机拉刹车接触器闭合，刹车动作，抽油机可靠停机。若抽油杆未满足停止位置条件，延时等待到达设定位置时，抽油机停机。

请参阅图5，ak断路器接于供电系统进线与抽油机生产系统之间，两端并联停电自动判别线圈sj，柜体风机fj通过相线供电，并串联热保护开关，ak断路器后接入三相浪涌保护器，多功能电力仪表，断路器q2。系统中设计的sj线圈及开关实现了供电系统断电/恢复供电时的自动判别，并实现了为远程控制自动上电功能。系统采用两相火线输入隔离变压器的设计方法，其二次绕组输出为刹车智能系统控制电路电源，将主、控电气安全隔离的同时，可有效防止现场单相故障时导致的控制设备过电压带来的危险。

ak闭合后，根据工况调度信息指令，抽油电机工频接触器闭合或变频器启动，变频运行交流接触器闭合，抽油机开始工作。控制变压器一次侧受电，断路器q2闭合，通过控制变压器实现一二次系统的隔离，并为二次控制电路供电。闭合智能刹车系统断路器q1，根据智能刹车系统控制信息指令，刹车辅助电机正/反转接触器闭合，完成刹车的工况协调控制。请参阅图6，控制变压器二次绕组交流220v为24v直流开关电源提供电能，开关电源24v直流输出正极串联抽油机运行控制继电器常闭开关j2/3，并分两路并联松刹车/拉刹车控制回路，松刹车/拉刹车支路接入互锁的复合按钮sb3与sb4，后接联动y2，y3/电动k3/1，k3/2选择开关，连接松刹车线圈j3，拉刹车线圈j4，并与六芯插座的第二端子和第三端子相连接，第一端子与开关电源直流输出负极连接。在六芯插座的第一端子和第二，第三端子之间接手/电选择开关，第二端子与手/电选择开关，第三端子与手/电选择开关之间串联位置开关的常闭开关xc1和xc2。

设计的刹车电机控制回路中串联抽油电机接触器线圈常闭开关，使刹车系统具有断电锁死功能，有效防止抽油机工作时现场刹车系统的误动，为安全生产提供了保证。控制回路中六芯插头设计，如图所示，通过在六芯插头的第一和第二端子及第一和第三端子之间的行程开关，能够准确控制刹车拉杆距离，有效保护刹车机械结构。

请参阅图7，plc选用dvp16es200r，在plc的基础上进行集成控制设计，完成抽油机位置传感、工况转换、启停及刹车匹配智能控制功能，通过内部软继电器完成整个抽油机生产过程的控制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过辅助机械结构及电机驱动结合的设计，将油井抽油机手动刹车低成本改造为可自动控制的电刹车系统，并基于本系统设计了与油井抽油机运行工况协调控制的一体化智能生产系统，实现油井生产无人值守，节约了人工成本，提高了生产的自动化和智能化。鉴于发明的特点，仿真数据无法有力说明本发明的好处。现场应用效果例证：通过在长庆油田第五采油厂的应用，对安装丛式井组集中控制节能装置的抽油机改造前后测试对比，输入功率平均值由16.685kw下降到13.629kw，下降了19.5％，功率因数平均值由0.3831提升到0.8912，提高了132.6％，抽油机组产液单耗由45.137kw.h/t下降到36.346kw.h/t。

丛式井组集中控制节能装置安装前产液单耗为45.137kw.h/t，丛式井组集中控制节能装置安装后产液单耗为36.346kw.h/t。按年运行365天计算，年节电量197.88*104kw.h，折合标煤660.82tce。93组井场丛式井组集中控制节能装置的年节电量为317.29*104kw.h，折合标煤1059.43tce。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。